基于UG的液压支架推移框架的有限元分析

(山西轻工职业技术学院，山西 太原 030000)

0 引言

液压支架是煤矿综采工作面的重要设备之一，始终处于复杂恶劣的工作环境中。由于顶板压力、综采工作面的起伏、断层与陷落柱等不同的地质条件，支架受载荷情况也是复杂多样。随着工作面的回采，支架的推移框架通过拉架、推溜作用实现支架与运输机的移动。因此推移框架在综采工作面回采过程中起着举足轻重的作用，一旦出现故障，将严重地制约着工作面的正常生产[1-2]。本文以ZY5600/20/42型液压支架为研究对象，利用UG有限元软件建立支架推移框架的简化三维实体模型，并在三种不同工况条件下对其推移框架3D实体模型进行有限元分析, 得出该结构的Vomises应力云图与位移云图。通过推移框架的Vomises应力云图与位移云图，可以直观地得到不同工况条件下的应力危险区域及推移框架结构中刚度薄弱的位置[3-5]，为今后对推移框架结构改进、受力状况的改善、重量减轻提供了理论依据。

1 推移框架的受力分析

1.1 液压支架下滑力的计算

液压支架的下滑力可以表示为：

F下=mg(sinθ-fcosθ)×(1+μ)

其中：θ—煤层倾角，取20°；

f—支架底座对底板的摩擦系数，取0.3；

m—支架的质量，取19.5×10-3kg；

g—9.8 N/kg；

μ—降架后，支架顶梁上方的岩石重量对支架重量的系数，取0.2。

由计算可得：

F下=19.5×103×9.8×(sin20-0.3×cos20)×(1+0.2)≈13.99 kN

1.2 支架与运输机所成角度的估算

液压支架的拉架力可以表示为：

F拉=0.25πD2P×10-3

其中：D—推移千斤顶的活塞直径，取 160 mm；

P—泵站压力，取31.5 MPa。

由计算可得：

F拉=0.25×π×D2×31×10-3=622.98 kN

液压支架推溜力可以表示为：

F推=0.25π(D2-d2)×P×10-3

其中：D—推移千斤顶的活塞直径，取160 mm；

d—推移千斤顶活塞杆直径，取105 mm；

P—泵站压力，取31.5 MPa。

由计算可得：

F推=0.25π(D2-d2)×P×10-3=360.4 kN

在回采工作面煤层倾角较大时，为使“三机”能够正常运行，支架在回采时产生的倾斜向上分力与支架下滑摩擦力平衡，从而保证液压支架在俯采、仰采运行时不出现下滑现象。由分析可知，运输机的垂线与支架底座支架形成的夹角可以表示为：

θ=arcsin(F下/F拉)≈1.28°

尽管液压支架底座与运输机的垂线之间的夹角仅为1.28°，但液压支架底座前端具有支架底座与推移框架的铰接结构，在拉架时产生向上的分力，支架的后端会不可避免发生下滑。为防止下滑，在5600/20/42支架底座尾部有一套自身调整装置。为保证在推溜过程中液压支架的推移框架具有足够的强度，其采用焊接箱形结构[6-8]。液压支架底座在支架的推移过程中还能起到导向作用，便产生一个斜向上的推溜分力，即：

F上=F推×sin1.28°=8.05 kN

这个倾斜向上的推溜分力对防止运输机的下滑、减小煤壁的片帮、提高工作面煤壁状况都能够起到一定的作用。以本综采工作面为例，其在工作面仰采过程中，下部最大仰采角为16°左右，回采工作面煤壁在回采过程中未出现大面积片帮。从而保证了工作面的安全生产[9]。

2 各种工况条件下的有限元分析

ZY5600/20/42支架推移框架正常作业状态下，推移千斤顶与推移框架之间的受力夹角为10°，最大能够在30°范围内保证正常运行。通过对推移框架的受载情况做进一步简化，在如下3种不同工况条件下进行静态力学分析：

1)回采工作面俯采时，运输机受到推移千斤顶的向上的载荷作用，推移框架也随之抬起，这时θ<10°，根据前面的计算可知θ为1.28°。

2)回采工作面仰采时，运输机受到推移千斤顶的向下的载荷作用，输送机下滑，这时θ>10°，由上文可知θ为16°。

3)由于回采工作面煤层的局部倾角达20°以上，推移框架端部将处于水平状态，取θ为90°。

因拉架力大于推溜力，因此，本文将运输机与液压支架推移框架相连接的部位视为固定端，推移框架另一端受载，根据其受载情况，可认为推移框架是一个悬臂梁受力状态。

2.1 建立三维实体模型与有限元模型

图1 推移框架的有限元模型

利用UG有限元软件对推移框架结构进行简化，建立三维实体模型。通过对三维模型定义其物理属性，材料采用16 Mn钢，杨氏弹性模量E=2e11 N/m2，泊松比取u=0.3，密度d=7800 kg/m3，然后对其进行10面体的网格划分，得到有限元模型，如图1所示[10]。

2.2 静态力学分析

利用得到的有限元模型，分别在以上3种不同工况条件下施加载荷，得到应力云图与应变云图。分析结果如图2-图7所示(图中应力单位：MPa，应变单位：mm)。

从推移框架的Vomises应力云图和应变云图分析可知：

1)在3种不同工况受载状态下，最大应力Smax=184.6 MPa，材料的许用应力340 MPa，因此推移框架满足3种工况条件下的强度要求。在支架拉移位置与变截面位置应力较大。因此，载荷作用端与变截面焊接处都是极易发生疲劳损坏甚至发生断裂的部位。

2)由应变云图可知：在工况1与2推移框架同时出现了轴向应变和弯应变。因此，在回采过程中应及时处理工作面底鼓、支架与运输机之间较大的岩石洒落等问题，保证拉架与推溜能够在较好的环境中运行。

3 结论

液压支架的推移框架是由钢板焊接组成的构件，其在拉架、推溜过程中的静态力学分析不仅与计算强度有关，而且与推移框架的结构、受力状态、焊缝布置等多种因素有关。本文首先利用数值计算得到了推移框架的3种不同工况，然后利用UG有限元软件进行了静态力学分析，得到了推移框架结构的薄弱位置。得出以下结论：

1)由于在第1种工况条件下的应力与应变都为最大，因此需要在俯采条件下对推移框架结构参数进行优化，以改善其受力状态，降低俯采时的故障率。

2)由于在断面变化处应力也较大，因此需要在今后应用中简化推移梁体结构，改善断面变化情况，加强连接部位强度，使其整体性能得到提高。

3)由于推移框架连接部位应力较大，应选择机械性能更好的材料，降低损耗故障率。

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